Hőtágulás

• A hőmérséklet, a hőmennyiség, a hőtágulás fogalma.
• Hőmérséklet mérése.
• Szilárd testek, folyadékok, gázok hőtágulása, a hőtágulást leíró összefüggések.
• Mindennapi példák a hőtágulás felhasználására, káros voltára, hőtágulás a természetben.

A hőmérséklet a testek hőállapota. Érzékszerveinkkel is érzékeljük a hőmérsékletváltozást, de az nem pontos. E fizikai mennyiség bevezetéséhez a testek hőállapotától függő fizikai jellemzők megváltozását használjuk fel: halmazállapot, vezetőképesség, térfogat,…stb. Tehát ez nem egy konkrét dolog, hanem egy kijelölt ponthoz viszonyított mértékegység. Jele: T. Méréséhez hőmérsékleti skálákat használunk. Nevüket a „kitalálóiktól” kapták.
Celsius-skála:
A víz fagypontja, illetve a forráspontja a viszonyítási alap.
Me.: °C
Kelvin-skála vagy abszolút hőmérsékleti skála:
A természetben előforduló legalacsonyabb hőmérséklet a viszonyítási alap.
Me.: K
Átváltás: T(K)=T(°C)+273,15 (erre különböző értékek vannak a fgv.táblában, és a TK.-ben)
Más skálák is vannak. Pl.: Fahrenheit (°F), Réaumur (°R).
A hőmérsékletet hőmérővel mérjük. Ennek van hagyományos, és digitális formája. A hagyományos, higanyos vagy alkoholos hőmérő az anyagok hőtágulását használja ki. (Itt szépen elmeséled, hogy-hogy néz ki egy ilyen.) A hőtágulás, amikor valamely anyag hő hatására méretét megváltoztatja. A digitális hőmérők termisztoron, vagy termoelemen alapulhatnak. A termisztorok a félvezetők növekvő hőmérséklet hatására bekövetkező ellenállás csökkenését használják ki. A termoelemek két összeforrasztott fémből állnak. A két fém között hőmérsékletváltozás hatására feszültség keletkezik. Extrémebb hőmérsékletek mérésére pirométert szoktak alkalmazni. Működése a feketetest-sugárzáson alapul. (Egy tárgy által kibocsátott elektromágneses hullámok hullámhossza és intenzitása a hőmérséklettől függ.) Fényt (pl. infra) bocsájt ki a testre, és a visszaverődő fény intenzitása alapján következtet a hőmérsékletre. Így távolról is lehet hőmérsékletet mérni.
Még rengeteg dolog alapján lehet hőmérsékletet mérni (pl. bimetál lemez elhajlása).
Az első hőmérőt Galilei készítette (~1600). Egy gáz hőtágulása mozgatott egy vízoszlopot, de a külső légnyomás változása miatt pontatlan volt. 1700 körül Guillaume Amontons a gáz helyett higanyt alkalmazott, majd Olaf Römer feltalálta az alkoholos megoldást. Végül Fahrenheit visszatért a higanyhoz, mert a hőtágulása egyenletesebb, és tökéletesítette a hőmérőt.
A hőmennyiség két test között közvetlenül átadott energia mennyisége. Mivel energia, ezért mértékegysége joule [J] (W=F*s). Jele: Q. Q=c*m*∆T
A hőtágulás lehet lineáris (1D), területi (2D), és térfogati (3D). Továbbá halmazállapot szerint is szétválasztjuk őket: szilárd, folyadék, gáz.
l – hossz
X(0) – kezdő …
Β,α – hőtágulási együttható

Halmazállapot	Szilárd	Folyadék	Gáz
Lineáris	∆l = l(0) *α*∆T l=∆l*l(0)=l(0)*(1+α*∆T)	nincs	nincs
Területi	∆A = A(0) *2α*∆T A=A(0)*(1+2α*∆T) β=2α	nincs	nincs
Térfogati	DV = V(0) *3α*∆T V=V(0)*(1+3α*∆T) β=3α	ua., mint a szilárd	ua., mint a szilárd Állapotjelzők: p,V,T,m. V(0) – 0°C-on mért V Ha V, és T változik –> izobár folyamat: G-L.I. –> β=1/273°C (Gáztörvények…)

A hőtágulási együttható (α és β) az anyagra jellemző állandó. Ez a hőtáguláshoz hasonlóan lehet lineáris-, területi-, és térfogati-hőtágulási együttható. Ennek értéke a relatív hossz/terület/térfogat változást adja meg: ∆l / l(0); ∆A / A(0); ∆V / V(0).

Alkalmazások:
A szilárd testek hőtágulásának számos gyakorlati vonatkozása van. Régebben a vasúti és a villamos sínszakaszok között hézagokat vagy hosszanti hasítékokat hagytak a szabad tágulás biztosítására. Újabban a síneket összehegesztik, és betontalpakhoz rögzítik. Ez utóbbiak képesek ellenállni a sínek hosszváltozásakor fellépő erőknek.
A vashidak egyik vége görgőkön nyugszik, hogy a híd alakja a hőtágulás közben ne változzon.
Üvegekbe, és betonba csak együtt táguló, vagyis azonos hőtágulási együtthatójú fémek ágyazhatók (pl. vasbeton).
A két különböző vonalas hőtágulási együtthatójú fémszalag (bimetall, ikerfém) a hőmérséklet-változással arányos mértékben meggörbül. Ez alapján működnek a hőmérsékletet regisztráló termográfok, és az elektromos áramköröket be-vagy kikapcsoló jelfogók. És a fentebb részletezett hőmérők többsége.
A víz rendellenes viselkedése
A víz nem követi a folyadékokra általában érvényes térfogati hőtágulási törvényt. Fajlagos térfogata +4˚C-on a legkisebb, sűrűsége pedig a legnagyobb. Ennek igen nagy jelentősége van a természetben. Az őszi lehűlés során, +4˚C-ig a tavak felszínének sűrűsége növekszik, és a vízréteg lesüllyed. Ez mindaddig tart, amíg a teljes vízmennyiség el nem éri a +4˚C-os hőmérsékletet, illetve a maximális sűrűséget. A további lehűlés során, 0˚C-ig csak a felszíni vízréteg sűrűsége csökken, nem süllyed le, majd megfagy. A keletkező jég –rossz hővezető lévén-megakadályozza a nagyobb tavak és folyók teljes befagyását, s így a vízi élőlények nem pusztulnak el.
A fagyáskor táguló (növekvő térfogatú) víz szétrepeszti a vele töltött edényt, a vízvezetéket és a sejtmembránt. A víznek fagyáskor bekövetkező térfogat-növekedése igen nagy jelentőségű a földfelszín alakulásában: a kőzetek repedéseiben és pórusaiban tárolt víz megfagyva szétfeszíti a sziklákat. A talajban a váltakozó olvadás-fagyás egyrészt a lejtés irányában talajfolyást okoz, másrészt széttépi a növények gyengébb gyökérzetét. A tavasszal melegedő jég térfogat-növekedése folytán romboló hatású, és a tavak jege a partra tolul.
A vízhez hasonlóan viselkedik a lehűlő öntöttvas, és ezért jól kitölti az öntőformát.
Kísérletek:
I. Emeltyűs pirométer
Az l = lo (1+a.∆T) lineáris hőtágulási törvény kísérleti igazolásához legalább kétféle anyagból készült, három-három különböző hosszúságú fémrúd hosszváltozását kell mérnünk a hőmérséklet függvényében. A kísérlet elvégzéséhez alkalmas eszköz az emeltyűs pirométer: több különböző anyagból észült fémrúd egyik vége rögzített, a másik vég túllóg a falon. A melegítés hatására a hosszváltozást a szabad véghez csatol mérőórán lehet leolvasni. A különböző fémrudak különböző mértékben tágulnak, amint az leolvasható a mérőműszerről, vagyis eltérő a hőtágulásuk. A mérési eredmények alapján –grafikonon ábrázolva- a rudak hossza lineárisan nő a hőmérséklet függvényében. Az egyenesek meredeksége a fém anyagára jellemző α lineáris hőtágulási együtthatót adják.
II. Gravesande gyűrű
A szilárd testek térfogati hőtágulásának bemutatására szolgál a Gravesande-gyűrű, ami egy nyélre szerelt sárgaréz gyűrűből és egy vékony lánccal nyélre függesztett sárgaréz golyóból áll. A gyűrű környílása pontosan akkora hogy a golyó éppen átfér rajta. Ha a golyót felmelegítjük, kitágul, amit szemléletesen bizonyít, hogy így már nem fér át a gyűrűn. Melegítsük meg a gyűrűt is a lángban A felmelegített gyűrű nyílásán a meleg rézgolyó is átfér, bizonyítva ezzel, hogy a szilárd testek belső üregei melegítés hatására ugyanúgy tágulnak, mintha az üreget is anyag töltené ki.